(57)【要約】【課題】エリミネータと圧縮機の間に水分除去器が介設されない装置系で、液状水分の発生を抑制すること。【解決手段】第１熱交換器１と、これより下流側に配置され水分を除去するエリミネータ２と、これより下流側に配置される第２熱交換器３とから構成されている。第１熱交換器１で温度降下を受けて第１熱交換器１を通過した後の空気の第１温度がＴ１（図のＴ１の最低値）で表され、第２熱交換器３を通過した後の空気の第２温度がＴ２で表される。第１温度Ｔ１と第２温度Ｔ２の関係がＴ１＜Ｔ２であることが重要である。このような温度条件にすることにより、圧縮機１１に侵入する空気に含まれる液状水滴は有効に除去されていて、圧縮機１１のエロージョンの発生を有効に抑制することができる。第２温度Ｔ２は、タービン効率を最大にする最適切温度であることが重要である。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１熱交換器と、
前記第１熱交換器より下流側に配置され水分を除去するエリミネータと、
前記エリミネータより下流側に配置される第２熱交換器と、
前記第２熱交換器より下流側に配置される圧縮機とを具え、
前記第１熱交換器で温度降下を受けて前記第１熱交換器を通過した後の空気の第１温度がＴ１で表され、前記第２熱交換器で温度上昇を受け前記第２熱交換器を通過した後の空気の第２温度がＴ２で表され、Ｔ１＜Ｔ２である
発電システム。
【請求項２】
前記圧縮機より下流側に配置されるガスタービンを更に具
請求項１の発電システム。
【請求項３】
前記第２熱交換器と前記圧縮機の間に配置されるサイレンサを更に構成する
請求項１又は２の発電システム。
【請求項４】
前記エリミネータの中を通過する空気の温度は前記Ｔ１で表され、Ｔ１＜Ｔ２であり、前記エリミネータの中の温度は概ね一定である
請求項１又は２の発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電システムに関し、特に、圧縮機のエロージョンの発生を抑制する発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
発電プラントで、ガスタービンが用いられる。ガスタービンには、圧縮機が付属している。空気は、圧縮機により圧縮されてタービンに導入される。タービンの出力効率の向上のために、圧縮空気はタービンに導入される前に冷却される。圧縮機の上流側に、空気を冷却するための冷却器が配置される（後掲特許文献１）。そのような冷却のために低温熱源として、低温冷媒の貯槽が利用される（後掲特許文献２）。そのような冷却の結果として、冷却器である冷却用熱交換器に結露現象が発生する。結露化した液体状水分が空気流で吹き飛ばされて微粒状液体水分が圧縮機に運搬される。圧縮機の動翼に付着する水分は、その動翼にエロージョンを生起させ、圧縮効率を劣化させる。そのような水分を除去するために、デミスタのような水分除去器であるエリミネータが用いられる（後掲特許文献３）。エリミネータの後流側の空気流の温度が低下した場合に生じる水滴・ミストは直接に圧縮機に侵入する。そのような空気流温度の低下の現象は、吸気通路の温度アンバランスにより局所的に発生する可能性が高い。
【０００３】
エリミネータと圧縮機の間に更に他の冷却用熱交換器を介設することは、設備コストの増大を招くとともに、既述の問題が再発して悪循環に陥る。エリミネータと圧縮機の間に水分除去器が介設されない装置系で、液状水分の発生を抑制することが求められる。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−１９５７９６号
【特許文献２】特開平８−２６１０１６号
【特許文献３】特開２００１−１０７７４６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、エリミネータと圧縮機の間に水分除去器が介設されない装置系で、液状水分の発生を抑制する発電システムを提供することにある。
本発明の他の課題は、圧縮機のエロージョンの発生を抑制する発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明による発電システムは、第１熱交換器（１）と、第１熱交換器（１）より下流側に配置され水分を除去するエリミネータ（２）と、エリミネータ（２）より下流側に配置される第２熱交換器（３）と、第２熱交換器（３）より下流側に配置される圧縮機（１１）とから構成されている。第１熱交換器（１）で温度降下を受けて第１熱交換器（１）を通過した後の空気の第１温度がＴ１（図１（ｅ）の温度Ｔ１の最低値）で表され、第２熱交換器（３）で温度上昇を受け第２熱交換器（３）を通過した後の空気の第２温度がＴ２（図１（ｅ））で表される。第１温度Ｔ１と第２温度Ｔ２の関係がＴ１＜Ｔ２であることが重要である。
【０００７】
このような温度条件にすることにより、圧縮機（１１）とタービンに侵入する空気に含まれる液状水滴は有効に除去されていて、圧縮機（１１）のエロージョンの発生を有効に抑制することができる。タービンは圧縮機（１１）より下流側に配置される。第２温度Ｔ２は、タービン効率を最大にする最適切温度であることが重要である。
【０００８】
第２熱交換器（３）と圧縮機（１１）の間に配置されるサイレンサ（７）が現実には追加されるが、それらの間には熱交換器は存在しない。
【発明の効果】
【０００９】
本発明による発電システムは、エリミネータと圧縮機の間に水分除去器が介設されない装置系で、液状水分の発生を抑制することができる。最高効率で運転する条件で圧縮機のエロージョンの発生を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明による発電システムの実施の好ましい形態は、図に対応して、詳細に記述される。その発電システムでは、温度上昇用熱交換器３は、エリミネータ２と温度降下用熱交換器１の組に追加的に配置されて設けられている。温度上昇用熱交換器３は、エリミネータ２より上流側に配置されている。圧縮機（図示されず）は、エリミネータ２より下流側に配置されている。
【００１１】
温度降下用熱交換器１より上流側の初期温度Ｔ０を有する初期空気４は、圧縮機の吸引力により温度降下用熱交換器１に吸い込まれる。温度降下用熱交換器１の中を通る温度降下用熱交換器内空気の温度Ｔ１は、図１（ｅ）に示されるように、下流側に進行する進行度合いに線形的に関係して降下する。温度降下用熱交換器１より下流側にあり温度上昇用熱交換器３より上流側にあるエリミネータ２を通過するエリミネータ通過空気の温度は、図１（ｅ）に示されるように、温度Ｔ１の最低温度に概ね等しく、且つ、概ね一定である。温度上昇用熱交換器３の中を通る温度上昇用熱交換器内空気の温度は、図１（ｅ）に示されるように、下流側に進行する進行度合いに線形的に関係して上昇する。タービンに導入される空気を冷却することは、公知技術と本発明の共通の趣旨であり、温度Ｔ２は当然に初期温度Ｔ０よりも低く、且つ、温度Ｔ２はタービン効率の劣化の抑制のために求められる最適温度に調整される。
【００１２】
図１（ａ），（ｂ），（ｃ）は、本願発明との対比を明確にするための公知技術の構成を示している。公知技術では、図１（ａ）に示されるように、本発明の温度上昇用熱交換器３と温度降下用熱交換器１に対応する機器は存在せず、温度降下用熱交換器１に対応する公知温度降下用熱交換器１０１と公知エリミネータ１０２とが配置されている。公知温度降下用熱交換器１０１より上流側の公知初期温度Ｔ１００を有する公知初期空気１０４は、圧縮機の吸引力により公知温度降下用熱交換器１０１に吸い込まれる。温度降下用熱交換器内空気は、図１（ｂ）に示されるように、下流側に進行する進行度合いに線形的に関係して温度Ｔ１０１に降下する。
【００１３】
ここで、本発明に基づく温度Ｔ１は公知温度Ｔ１０１より低く制御され、且つ、最終温度の公知温度Ｔ１０１に等しく制御されていることが重要である。温度Ｔ２の最終温度の空気がタービンに導入される。温度Ｔ１のエリミネータ通過空気の相対湿度は、図１（ｆ）に示されるように、温度降下用熱交換器１を通過することにより１００％に上昇している。温度上昇用熱交換器３を通過する温度上昇用熱交換器内空気の相対湿度は、図１（ｆ）に示されるように、温度上昇用熱交換器３を通過する間に１００％より低い湿度に低下する。公知温度降下用熱交換器１０１を通過した後に公知エリミネータ１０２を通過する公知エリミネータ通過空気の湿度は、温度の異常変動が起きない限り、１００％を維持して、そのままに適正に冷却された温度でタービンに侵入する。
【００１４】
本発明では、ダイナミックな装置系が想定されていて、装置系の温度の異常変動が生じてタービンに侵入する空気の最終温度が低下する場合に、その低下に基づく結露分は既にエリミネータ２で結露して除去されていて、その飽和水蒸気圧環境の下では、温度上昇用熱交換器３の中で結露することはなく、水滴・ミストが圧縮機又はタービンに侵入することが有効に阻止されている。
【００１５】
図２（ａ），（ｂ）は、本発明の湿度−温度対応と公知装置の湿度−温度対応との比較を示している。本発明では、エリミネータ２の中の公知温度Ｔ１０１より低い温度差に対応する絶対温度差ΔＱだけ絶対温度が低く、その後、温度上昇熱交換器３を通過した空気は、その分の結露が回避される。
【００１６】
実施例：
図３は、実機に忠実にモデル化されたチラーシステムを示している。実機では、温度降下用熱交換器１とエリミネータ２とは、大断面積風洞５の中に収容されている。大断面積風洞５は、中断面積風洞６に下流側に接続している。温度上昇用熱交換器３は、中断面積風洞６の中に収容されている。サイレンサー７が、中断面積風洞６の中で温度上昇用熱交換器３より下流側に収容されている。中断面積風洞６は、小断面積風洞８に下流側に接続している。中断面積風洞６と小断面積風洞８との間には、曲折風洞９が介設されている。小断面積風洞８より更に下流側に圧縮機１１が配置されている。
【００１７】
圧縮機１１に流入する空気の温度は、そのプラント系で最適値である最適値温度Ｔ２に設定される。
Ｔ２＝Ｔ１０１＝８．５゜Ｃ＞Ｔ１
大気状態空気であり温度降下用熱交換器１に流入する初期空気４の温度は、その時の大気温度（建屋の室内温度）は２８゜Ｃである。その時の大気状態空気の相対湿度は７８％である。図４は、大気温度（室温）と絶対湿度の対応を示している。実線は、相対湿度が１００％である時の対応関係を示している。点線は、相対湿度が７８％である時の対応関係を示している。今の場合では、相対湿度は７８％であり、温度降下用熱交換器１で冷却されて室温２８゜Ｃから冷却後温度８．５゜Ｃに降下することにより、絶対水分質量ΔＫが温度降下用熱交換器１の中で結露する。図５は、温度降下用熱交換器１が存在しない場合の公知出力・効率と温度降下用熱交換器１が存在する場合の公知出力・効率を対比して示している。温度降下用熱交換器１を設けることにより、ガスタービン出力は２３５．９ＭＷから２６３．７ＭＷに上昇し、その効率は、３７．９％から３９．０％に上昇し、効率上昇は２．９％である。
【００１８】
公知温度降下用熱交換器１０１を装備するこのような公知チラーシステムでは、図５に示されるように、吸気流量が増大して出力が大幅に上昇して効率が高くなる利点を有するが、公知温度降下用熱交換器１０１で発生する液滴が圧縮機に流入して圧縮機の動翼とその他の機器部分にエロージョンを惹起し、且つ、特に曲折風洞９で圧損を大きくする。
【００１９】
図６は、液滴生成のメカニズムを示している。壁１２は、公知温度降下用熱交換器１０１の壁を示している。壁１２に結露した液滴１３は、高速度の空気流１４にその表面が叩かれ表層部位の水分が剥がされて、微粒水滴１５が生成される。微粒水滴１５の粒径分布確率密度は、Γ関数で表されることが知られている。
Γ（Ｄｅ）
＝（（ｍｍ）／Γ（ｍ））・（Ｄｅ／Ｄｅ’）ｍ−１・ｅｘｐ（−ｍ・（Ｄｅ／Ｄｅ’））
Ｄｅ：液滴径
Ｄｅ’；平均液滴径
ｍ／２：自由度
【００２０】
図７は、そのようなΓ関数で表される粒径分布確率密度を示している。選択された特定実機では、公知温度降下用熱交換器１０１で結露する液滴の全質量は、６．９９７ｋｇ／ｓ（＝２５．１９トン／ｈ）である。このように膨大な量の全ての水滴は、剥がされて公知エリミネータ１０２に流入すると推定される。図８は、図７の横軸のうち微小粒径領域を拡大して、公知温度降下用熱交換器１０１の中の粒径分布確率密度１６と公知エリミネータ１０２を通過した後の空気流の中の粒径分布確率密度１７を対比して示している。粒径分布確率密度１７に示されるように、６０μｍ（＝０．０６ｍｍ）の粒径より大きい粒径の水滴はその９９％が公知エリミネータ１０２で除去されている。図９は、公知エリミネータ１０２のエリミネータ効率の詳細を示している。エリミネータに流入する６．９９７ｋｇ／ｓの水分量のうちで公知エリミネータ１０２を通過する非除去分は、僅かであり、０．０１４ｋｇ／ｓである。
【００２１】
本発明による発電システムの実施例では、公知チラーシステムにサイレンサー７の上流側で温度上昇用熱交換器３が追加されている。空気は、温度降下用熱交換器１を通過して、最終適正温度８．５゜Ｃより低い５゜Ｃ（＝Ｔ１）に冷却される。ダイナミックに熱変動する恐れがある空気吸入系で３．５゜Ｃの温度変化があってエリミネータ２の下流側で温度変化が生じた場合、その温度変化分に対応する水分は温度降下用熱交換器１で既に除去されていて、最終適正温度が５゜Ｃである場合に、エリミネータ２の後流側のサイレンサ７又は曲折風洞９の壁で結露することがなく、乾燥空気が圧縮機に流入する。温度上昇用熱交換器３は、５゜Ｃの乾燥空気を最終適正温度８．５゜Ｃで圧縮機に流入させる。８．５゜Ｃの乾燥空気は、タービン効率を最大に維持し、且つ、圧縮機の動翼とその他の機器部分にエロージョンが発生することを有効に抑制する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、本発明による発電システムの実施の形態と公知装置を対比して示し、同図（ａ）と（ｄ）は公知装置と本発明装置の機器配置をそれぞれに示す断面図であり、同図（ｂ）と（ｅ）は温度変化をそれぞれに示すグラフであり、同図（ｃ）と（ｆ）は湿度の変動をそれぞれに示すグラフである。
【図２】図２（ａ），（ｂ）は、公知装置と本発明装置の湿度の変動を比較して示すグラフである。
【図３】図３は、本発明による発電システムの実施の他の形態を示す断面図である。
【図４】図４は、温度と湿度の関係を示すグラフである。
【図５】図５は、性能を示す表である。
【図６】図６は、液滴の剥がれを示す物理的現象図である。
【図７】図７は、液滴分布を示すグラフである。
【図８】図８は、液滴径分布を示すグラフである。
【図９】図９は、捕集効率を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２３】
１…第１熱交換器
２…エリミネータ
３…第２熱交換器
１１…圧縮機
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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